冰雪災害對集電線路的影響及應對措施

王 新 武

(山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001)

1 集電線路的現狀

集電線路既可采用架空線路方式也可采用電纜敷設的方式。而根據現狀，除個別地區由于土地和環境資源的制約，只能采用電纜敷設的方式外，由于大部分風電場取址土地貧瘠，避免了與人爭地，故較多采用造價經濟、運維方便的架空方式。其線路路徑盡量靠近風機位，方便風機變壓器與架空線路或地埋電纜連接。

由于風資源條件好，自然條件惡劣，地廣人稀，氣象資料稀缺，冰、風災害頻繁，故而一些新建的風電場就規劃為無人執守風電場，而一些已經投運的，也嘗試采用遠程遙控等方式改造成無人執守風電場。

2 冰災事故實例分析

由于我們近年來實施的風電工程多數在山西、河北、內蒙，即華北地區的風電情況掌握比較多，下述的冰風實例具有代表性。

2.1 冰風事故概況

2015年11月5日～6日，大風、大霧、雨夾雪、冰凍極端惡劣天氣，氣溫零度以下，大于十分鐘平均風速20 m/s。

晉北某風電場首先出現雨夾雪大風天氣、風速儀出現凝凍現象、全場失電，受晚間視線和路面濕滑的影響沒有巡檢。6日白天巡線發現風電場中的一些狀況，見圖1～圖5。

初步判斷覆冰后導地線發生脫冰跳躍或者局部斷線導致跳閘斷電，后續冰雪不斷裹挾，而北方白天氣溫回升緩慢，不能及時融冰，隨后而來大風和覆冰共同作用，造成斷線、倒塔。

在2015年春初秋末的冰雪災害中，大部分華北地區風電場都有相似的遭遇。

2.2 覆冰成因分析

根據覆冰形成的基本條件進行劃分。覆冰形成的條件是：

1)具有較大的濕度，即空氣相對濕度一般在85%以上。

2)具有足可凍結的氣溫，即0 ℃以下。

3)具有可使空氣中水滴運動之風速，即大于1 m/s的風速。

較大的濕度和較低的氣溫是構成覆冰的兩個基本條件，二者缺一不可。適宜的風(不大于10 m/s)是加速覆冰的條件。

導線的覆冰按其結冰的性質分為雨淞、霧淞、雨霧混合淞和覆雪四種[1]:

1)雨淞是由粒徑較大的過冷卻水滴接觸到很冷的物體時凍結成的透明狀冰殼，密度大，附著力強，常伴有冰柱；

2)霧淞是由粒徑較小過冷卻霧滴凍結或由水汽直接凝華而成，形呈針狀或羽毛狀結晶，白色疏松，密度小，粘附力弱，通常在物體的迎風面凍結；

3)雨霧混合淞是由雨淞、霧淞或覆雪迭凝而成的凍結物，冰體呈半透明狀，有一定的粘附力，常在物體的迎風面凍結；

4)覆雪是雨夾雪沾在電線上形成的。冰體呈白色堆積狀，密度和粘附力均較小。

北方覆冰受氣候條件的影響多是覆雪、霧淞和少量的雨霧混合淞，它密度小，體型大。

3 冰災事故后的反思

3.1 同時風速、標準冰厚的選取

取歷史最大觀測覆冰重量，按下式計算標準冰厚[1]：

式中：B0——標準冰厚，mm；

G——冰重，g；

L——覆冰長度，m；

r——導線半徑，mm(4 mm)。

DL/T 5158—2012電力工程氣象勘測技術規程(4.3.3-1)。

依規程計算標準冰厚[1]、同時風速10 m/s(中冰區)和15 m/s(重冰區)[2]設計的中、重冰區塔，經受大數倍標準冰厚的低密度大輪廓覆雪、霧淞[1]，加實際風速遠大于15 m/s的作用，斷線、倒塔應在預料之中。

請注意此時的大風，遠遠超過DL/T 5440—2009重覆冰架空輸電線路設計技術規程(表6.0.5-2)規定的10 m/s(中冰區)和15 m/s(重冰區)同時風速[2]。冰災事故多發生在初冬和冬末春初，此時正值北方大風肆虐。

晉北地區風場多數冰雪災害的順序是這樣的，首先是覆冰閃絡造成跳匝斷電；隨后密度小，體型大的覆雪、霧淞和少量的雨霧混合淞越積越厚，同時風速不小于20 m/s；再后雨雪停止，此時風場氣溫回升緩慢不足以融化覆冰，而低海拔處冰雪融化，于是冷暖空氣交融，接近設計風速的大風作用在冰雪覆蓋的線路上，或先斷線不造成倒塔或倒塔、再拖拽斷導地線或拖拽倒相鄰桿塔。

3.2 冰災給風電場帶來的損失

冰災帶來的直接經濟損失有搶修費用、電量損失、雙細則考核費，經統計冰災損失占所有災害損失的八成以上，見圖6。

3.3 對風力發電機組的影響

集電線路突然失電的情況下，風力發電機組啟動保護停機程序，若剎車、變槳等重要設備出現異常，容易出現失速、飛車事故。結合風電場實際情況與經驗，通常表現在以下兩方面：

1)對設備的影響。

a.機械設備沖擊大;

b.電子元器件壽命降低。

2)風力發電機組恢復時間長。

集電線路帶電后，風力發電機組故障頻發，風電場檢修維護人員無法及時處理；按風電場經驗，一般5 d～7 d內風力發電機組才可穩定運行。

4 應對措施

采用大輪廓覆雪、霧淞的實際冰厚取代標準(設計)冰厚[3]、采用基本風速[3]取代同時風速[2]，勢必會引起投資過大的增加。通過采用如下應對措施，對既有風場的改造、新設計風場的嘗試，運行情況穩定良好。

1)對運行出現過嚴重的不均勻覆冰或特大風速的微地形、微氣象點，將直線塔改為耐張承力塔；

2)對個別迎風開闊的地區、山頂、分水嶺、埡口、水氣充足的地區，尤其是桿塔兩側覆冰差異很大處，直線塔當改為耐張塔，當受到地形限制時則采用，加大主材、連接處改雙剪刀形式；單斜系統的連接螺栓采用雙帽加防松的辦法；

3)對部分采用普通懸垂線夾，曾出現過不均勻脫冰時線夾滑動的微地形點，將普通懸垂線夾更換為重冰區大握力懸垂線夾；

4)對耐張段過長、檔距過大、前后檔高差過大，且由于不均勻覆冰發生過事故的地段，采取減小檔距、縮小耐張段長度；

5)對轉角塔的轉角度數留有5°余度；避免出現極大檔、極小檔；

6)采用地埋電纜與架空線相結合；

7)對搶修工程受工期或地形限制，無法依上述方法實施的，可利用原未受損的基礎，對上部鐵塔做主材更換高強鋼、重新輔材布置、減少長細比、增加節點強度等措施。如圖7所示是事故修復后安全運行的狀況圖。

通過上述措施，大部分參與改造的風場和新設計的風場擺脫了冰風災害情況下的倒塔、斷線事故，同時我們也在不斷地總結經驗教訓，為實現風電供給更高效、穩定的理想而努力。

應該說風電場集電線路所處的環境是屬于輸電線路首先避讓的環境。相關的規程、規范的編制是依據全國、行業的冰風條件，考慮安全性和經濟性制定的。隨著風電場建設經驗的積累、氣象資料的完善，新規程、規范的覆蓋性會更好。